林飞：超级电容储能系统在城市轨道交通中的应用
时间:2015-12-30 14:59 作者:西顾
 目前，我们在轨道交通方面也进行了很多研究，主要有两类的方式，第一类是能馈型，改成新的电子器件。这些整流器制动的时候回归到电网，低压能馈是到地铁的400伏的系统。另外一种解决方案是用储能的原件把再生制动能量储存起来，一种是地面储能，一种是车载储能。地面储能是放在线路中间或者地面，车载方面是装载一些储能的原件。 能馈型是回到地铁本身400V的系统，给车站的照明和电梯供电。主要的好处是比较简单，缺点是因为地铁本身车站负载不均衡，不一定能够吸收掉瞬时的制动功率，节能效果有限。另外一个是中央能馈，比如说并联一个能馈型的电器，可以把再生制动能量回馈到电网。 和储能型的优点相比，它的储能成本比较低，从开关、调用器以及电子器件来说，和储能型用的设备一样，但是它既没有电池和电容，相当于把上一级的电网做了放大的储能原件。从成本上来说，相对比较低一点。主要的问题是目前我们国家的城市电网，尤其是北京这种比较大的城市，很难处理瞬时的几兆瓦的功率，回馈到电网也是对电网很大的冲击。 这是逆变回馈的方式，我们国家在世界上也是比较领先，从广州地铁的实验来看，北京地铁14号线和其他的几条线路也装上了这种设备。我们有飞轮储能，不过德国很早就有了。 功率是1兆瓦，储能量12千瓦时，重量2.5吨左右，都比较适合于地铁的应用，主要的问题是目前的国产化率还不是特别的高。 第二种储能方式是电池储能，日本的轨道交通用电池储能的比较多，包括日本川崎和东芝也做了一些实验，近期日本东芝有一个钛酸锂的地铁系统，在东京做的实验。和节能型储能相比，除了节能以外还有一个应用，起到故障支援的能力。因为日本是地震多发的国家，遭受到一些自然灾害停电以后，能够通过储能把车安全的回到车站。 除了地面储能以外，现在有很多车载储能装置。不管是超级电容还是电池，都会造成车的截面增大，隧道面积会增大，不太核算。一般储能式的车都是用在地面的有轨电车上，原来我们国家有一套锂电池的储能有轨电车，是在南京的一条有轨电车线上开始运行。另外，在国外都有类似的采用车载蓄电池的技术，法国还采用了镍氢电池的有轨电车。 最后一个是超级电容，实际上也是很早以前就用在了有轨交通上面，比较有代表性的西门子的这套地面超级储能系统。在北京五号线装有这五套西门子的装置，可惜的是效果非常不理想，基本上是一个失败的产品，造成了超级电容一直在我们国家轨道交通界反响不好，本来对它是有很高的期望的，但是这套失败的产品延缓了它在国内了应用。 当然主要的问题是多方面的，西门子的这套系统在咱们国家不太好用，但是在德国、西班牙的地铁里一直运行的都比较好。此外，超级电容也有一些车载的应用，比如说庞巴迪采用的是双电层电容器组成，阿尔斯通STEEM系统都采用了超级电容。这两种车的主要目的不是从终点站到终点站的持续运行，而是在线路中间，尤其是在欧洲的城市中心，因为不希望有这种接触网，这两种车都是在有网和无网的缓和应用。大部分的时候是由接触网给列车供电，但是在经过一些景观或者保护期的时候，由于市政的需要，采用超级电容支撑它一公里到两公里的距离。 超级电容储能的有轨列车我们国家也在做，曹老师也提到南车，比如说广州海珠线的有轨电车，江苏淮安现在也有一套有轨电车在试运行。因为在座的都是专家，超级电容的功率密度比较理想，能量密度比较低。电池恰恰相反，现在有很多做混合储能的，把超级电容和电池结合在一起。这是美国费城地铁的一套超级电容储能装置，我们国家也在做这种研发工作。总体来说能馈型和储能是目前能量的回收方式，能馈型结构及控制简单，节能效果好。储能星的功率密度大，寿命长，能量密度高，体积小，功率密度大。不管在国内还是国外，对交流电网的冲击很大，而且我们国家地铁公司返回到电网以后不会有收益。储能型分地面式和车载式，目前主要是用超级电容和电池，当然在十几年前欧洲用过飞轮储能的电车，但是由于各种原因没有得到推广。车载方式主要用在有轨电车上，主要的目的一个是节能，另外一个是避免接触网的架设和其他的问题。 对于大规模的地铁来说，地面式的超级储能用的更加广泛一些，包括飞轮储能都有应用。功率密度比较大，非常适合地铁短时间刹车能量，因为地铁刹车20秒左右，功率大概是在兆瓦级，超级电容的寿命也比较长，适合地铁频繁的刹车。缺点是能量应用比较大，体积比较大。接下来介绍一下我们在地铁里应用碰到最大的问题，很难找到合适的变电站把很大体积的超级电容柜放在变电站里，尤其很多是在地下。 由于它的能量密度多，能起到回收短时间再生能量的作用，目前超级电容还不太现实。日本走的是电池路线，采用了很多镍氢电池和锂离子电池、碳酸锂电池都有应用。主要特点是能量密度高，除了节能以外，还能起到支持网压和列车运行的作用，寿命还受到一定限制。飞轮的综合优势比较明显，但是目前技术成熟度不是特别的理想。 下面给大家介绍一下地面式超级电容储能的研究工作，它的主要优点是功率密度大，使用密度长，能够快速充放电。和地铁里的启动制动功率大，制动迅速的特点是相匹配的。因此，超级电容比较适合在城市交通轨道中作为储能装置，可以循环利用再生能量，当这个车牵引的时候把能量再放出来。 除了节能以外，还可以抑制地铁里电压过高或者过低的波动。当然还有很多其他的优势，单纯从成本来看，节电的效果和投入并不是特别理想。但是它实际上带来一些额外的收益，比如说装了储能装置以后，地铁刹车的机械制动磨损会大幅度降低，降低更换刹车片的成本。另外一个是避免粉尘在隧道中的分布，为了处理这些粉尘，地铁里在线路中间有一些通风口，一个是它需要很多的电能来进行通风，修建隧道的时候，通风口的挖掘会建立很多成本，如果有一个合适的装置，通风散热的成本省掉。 这个项目大概在两年前北京地铁运营总公司和北京城建设计研究院和我们大学、倾倒四方车辆研究所，当时研究的目的是取代五号线西门子的超级电容组成装置。首先做了一个仿真的系统做节能运算和评估，因为地铁线路有环线，也有辐射状的线，对储能装置的需求和配置不一样。另外一个储能装置的能量和功率的需求，和发车密度等等关系很大。怎么样能够合适和优化的安排储能装置的安装位置以及它的功率和能量的配置，最早开展了这方面的研究，后来做了一个两百千瓦的样机，在北京地铁的十号线和八通线做了测试，最后做了两兆瓦的系统，在今年的春节前要在八通线做上线的实验。 首先给大家介绍一下储能系统的容量配置的研究，对地铁来说并不是每一个列车的制动能量都要被储能装置吸收，因为地铁的复杂线路来讲，有的车在制动，同时有其他的车在牵引。因此所需要收集的制动能量是被其他牵引车吸收利用掉，随着各种的因素不可能恰好被其他的车所吸收，多余的制动能量需要被储能装置吸收。 因此剩余的再生制动能量和参数以及车辆以及地铁运行图和发车的监管密度有很大关系。因此我们当时做了一套仿真软件，我考虑到线路车辆和行车的输入条件，我可以计算出每列车的电压电流和功率能量，在电器网络计算中，我们把超级电容做了详细的建模，可以考虑对系统的影响。这是其中的几个模块，第一个比较重要的是列车的牵引计算，根据列车动力建模酸处制动和牵引的能量，主要的输出结果是列车运行的速度和时间、功率的曲线。 另外一个是地铁直流网潮流解析结果，列车的网压和网流以及变电站的波形，从比较详细的控制策略来讲，都给它考虑到模型里面，做一个比较详细的仿真。这是我们当时算的超级电容和储能装置以及SOC的变化，因为这种软件比较多，我们主要的优点是考虑储能装置，地铁不太放心，因为软件卖的很多，仿真软件准不准是一个问题。我们去年在地铁亦庄线做了测试，我们学校和地铁联合做了大概一个星期的测试，把列车实际的车载的电压电流和变电站的电压电流记下来，仿真软件做一个对比，最后的结果比较吻合，能耗和电压电流比较吻合。 这个时候就优化储能装置配置，这是我们仿真的实例。假如说我们在每个站都设储能装置的话，最大的节能率大概是21%，每天可以大概节8500度电，每年节省312万千瓦时。通过优化设计以后，不是在每个站都设，挑一些剩余再生能量比较多的站设置储能装置。挑了五个站设置，最大的节能率从21%下降到16%，但是刚才是13个站，现在只有5个站设置储能装置，成本会大幅度下降。 在仿真计算的同时我们也开发了两百千瓦的储能装置的样机，后面是超级电容。因为超级电容和电压相对来说比较低，地铁的网压相对来说比较高，因此中间需要一个直流到直流的变换装置。这是当时做的两百千瓦的样机，这两个蓝色的超级电容柜，右边的柜子是直流断路器以及DCBC。当时我们根据网压的高低判断超级电容的能量，假如说有牵引造成网压下降的话，我们会让超级电容放出制动能量，这是详细的控制框图。因为放电和充电DCBC是两种工作状态，因为系统的控制比较复杂，所以说控制还需要一些特殊的设计。 后来我们在实验室做完了样机实验以后，2014年3月到6月在万柳做了一个测试。当时在试车线，在空闲的时候配合我们老师和学生一起做实验，考察超级电容的效果，这是当时牵引和制动实验的数据。因为列车的牵引能耗在试车的时候牵引能耗2.7，超级电容提供了0.52度电，装置的功率和能量比较小，大概提供了19%的能量。 制动阶段因为没有电阻和其他的吸收制动能量的装置，我们人为的把制动司机的手柄用到最低级位的，电制动能量0.66千瓦时，其中储能装置吸收0.44千瓦时，也被其他负载吸收掉。当时我们还做了一些研究性的实验，随着超级电容放电阈值的设置越来越接近空载电压，如果我通过设置一个合适的充放电阈值，就可以调整它的处置装置的节能效果。 去年2月份我们在八通线正线做了一次接线图，这是通州北苑站做的一个变电站。首先是夜间做了单车测试，晚上地铁下班以后，把车回库以后的实验，不涉及正线的运行。这次实验是在正常运行的八通线上做的实验，为了安全我们首先做了单车的测试，只保留了管庄和果园的供电，专门有一个车和司机配合我们做实验。这是当时做实验的一些结果，比如说从从八里桥到通州北苑回收0.65度电，比较长，有一些制动的限速，通州北苑到果园是0.3。 做完了夜间单车实验验证了可靠性以后，我们正常的线路在跑，投入正常的运行。这是当时测试的实验结果，需要有列车进站制动的时候把能量吸收起来，离开需要牵引的时候，可以进行运行。目前我们仍然在开展这方面的研究工作，通过做实验发现牵引变电站和列车的运行参数对储能装置的研究效果有非常大的影响。 比如说列车的限流曲线，限制它的制动电流。如果和制动储能系统配合的不好，吸收不了多少电，大部分的能量都被车载机械系统消耗掉了。八通线上也配了制动电阻，希望中间有一个协调。网络的电压由于列车的制动以外，本身的波动也比较大。夜间的电压比白天电压高很多，因此要根据空载电压实时调整策略。此外，车载参数和工具对储能系统正常运行有很大影响。 刚才说的都是一台样机，那么未来在一条线路有多个变电站，同时装多个储能装置，能量管理策略怎么设计呢？包括车和牵引变电所本身的牵引变流器怎么协调控制呢？也是我们目前存在的措施，还在继续对它进行优化。以前只是位置的优化，现在装在参数上和容量一起进行优化，就可以得到更好的节能效果。 第三个工作是和青岛四方所开展了两兆瓦的线路，我们是由四个并联组成的。这是其中的电路器和正极柜以及变流器，一共有六个超级电容柜，占地面积是非常大的，在地铁里很难找到一个合适的牵引变电站，尤其是在地下，把这十几个柜子都运到地铁里去。 我们两兆瓦是分成每一兆的，运用到八通线，下个星期开始做上线的措施。同时，刚才我说到了用电器和电容混合储能需要的有轨电车。比如说城市中某一个部分用储能装置来配合，如果我完全是一个无网系统，电池要多一些，假如说中间很少一段，只要用超级电容就可以了。根据线路的需求，可以进行系统的设置。因为他们的特性不一样，把冲击性变化符合比较高的，用电池和进行提供。 超级电容储能系统可以非常有效的提高地铁里面再生制动能量的利用率，抑制网压波动。储能系统的容量配置及安装位置要进行优化设计，还有储能系统的控制参数需综合考虑，全线路多个储能装置投入运行来协调。 谢谢大家！ 来源:中国电池联盟 (责任编辑：admin) |
